雅魯藏布江中游地區小流域土壤侵蝕分級指標研究

譚杰峻，鄧 健，范建容，徐京華，德吉色珍

(1.西藏自治區水土保持局，西藏 拉薩 850000；2.中國科學院/水利部 成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041；3.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756)

西藏地區地域遼闊，生態環境脆弱，土壤侵蝕嚴重且地區間差異大，其水土流失問題一直是學者們研究的熱點。張建國等[1]根據土壤侵蝕狀況將西藏自治區劃分為6個區，即藏東南暖熱濕潤高山深谷水蝕區，藏東溫帶半濕潤高山峽谷水蝕區，藏南溫帶半干旱高原寬谷水蝕區，藏北寒冷半干旱高原水蝕、風蝕區，藏西溫涼干旱高原寬谷風蝕區，以及藏西北寒凍干旱高原凍融侵蝕區；張鵬等[2]對西藏“一江兩河”地區的土壤侵蝕狀況和分布特征進行了分析，探討了土壤侵蝕的影響因素及防治思路；趙曉麗等[3]應用RS和GIS相結合的方法對西藏中部地區進行了土壤侵蝕動態監測；張琳等[4]對2000—2005、2005—2009年雅魯藏布江中游地區的水土流失動態變化進行了研究，并預測了2010—2020年水土流失變化趨勢。

土壤侵蝕模型是估算土壤侵蝕量和進行土壤侵蝕評價分析的重要方法。劉寶元等[5]以美國通用土壤流失方程(USLE)為基礎，建立了適用于我國的中國土壤流失方程(CSLE模型)，隨后該模型得到了廣泛應用。程琳等[6]利用GIS與CSLE模型對陜西省土壤侵蝕定量評價方法進行了研究；高峰[7]基于GIS與CSLE模型研究了廣西喀斯特巖溶區和典型紅壤區的土壤侵蝕定量評價方法；秦建軍[8]研究了CSLE模型在土壤侵蝕預報中的應用，得到了開縣水土流失分布規律，并驗證了CSLE模型在該地區的適應性。但是，應用CSLE模型法計算得到的結果為土壤侵蝕模數，需根據現行分級標準，即《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)進行強度分級，最終得到區域土壤侵蝕分布情況。《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)適用于我國絕大部分地區，但是西藏地區環境條件特殊，容許土壤流失量較小，因此需要進一步研究適用于該地區的土壤侵蝕分級指標，以配合CSLE模型法使用。

本研究以西藏雅魯藏布江中游地區扎葉巴小流域為研究對象，根據CSLE模型法與多因子綜合法分別得到的研究區土壤侵蝕分布結果，研究制定該區域的土壤侵蝕分級指標，并通過差異指數分析與相對誤差理論對指標進行精度評價，篩選出最佳指標作為該地區的土壤侵蝕分級指標。

1 研究區概況

研究區選擇在西藏雅魯藏布江中游地區拉薩河右岸的扎葉巴小流域。該小流域位于東經91°12′06″～91°18′17″、北緯29°40′24″～29°46′37″，南北長約11.5 km，平均寬約6.1 km，流域面積70.75 km2，主河道長15.7 km；地處青藏高原東南部，屬高原內陸山間盆地，地勢北高南低，河谷寬約100 m，兩側為高山，地面高程3 681～5 443 m；位于高原溫帶季風氣候區，干、濕季節分明，與我國同緯度地區相比，具有氣溫低、日溫差大、年溫差小及降水強度小、蒸發旺盛等高原氣候特征。根據拉薩氣象站資料，研究區多年平均氣溫為7.8 ℃，年最高氣溫為30.4 ℃，年最低氣溫為-16.5 ℃；多年平均降水量為400 mm，降水在年內分配極不均勻，雨季主要集中在6—9月，期間降水量約占全年的89%。受氣候、地形條件影響，流域植被具有典型的垂直分布規律，在河谷地帶分布有人工林(以北京楊、旱柳為主)，在河谷兩側坡地廣泛分布以沙生槐為主的灌叢或灌叢草地，在兩側高山主要分布高寒草甸。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究植被覆蓋度信息來自2016年Landsat 8影像數據(空間分辨率為30 m)，土地覆被信息來自2017年1月20日GF-1數據(多光譜分辨率8 m、全色分辨率2 m)；地形因子及坡度信息來自DEM數據(分辨率30 m)；采用中國氣象數據網2012—2016年的日降雨量數據，計算降雨侵蝕力；通過實測表層土壤顆粒組成與有機質含量，計算土壤可蝕性。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗方案

(1)利用ArcGIS軟件的波段集統計工具對CSLE模型法和多因子綜合法分析結果的柵格圖層作相關性分析，計算兩種方法結果的相關系數，判斷二者是否具有較強的相關性，為后續以多因子綜合法分析結果為參考研究該區域土壤侵蝕分級指標提供依據。

(2)根據多因子綜合法分析結果，得到不同強度等級的土壤侵蝕面積所占比例，并初步劃分CSLE模型法結果中6個強度等級的土壤侵蝕模數間斷值，再以多因子綜合法結果的侵蝕強度空間分布情況為參考，對微度侵蝕、劇烈侵蝕兩個極端強度等級作進一步的修正，使其在面積比例與空間分布上基本與多因子綜合法結果相吻合。

(4)從差異指數與相對誤差兩個方面對這8組分級指標作精度評價，綜合分析各試驗組精度情況，篩選出最佳結果作為該區域的土壤侵蝕分級指標。

2.2.2 侵蝕評價方法

(1)CSLE模型法。CSLE模型[7]的基本形式為

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為單位面積年平均土壤流失量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm)；L為坡長因子；S為坡度因子；B為水土保持生物措施因子；E為水土保持工程措施因子；T為水土保持耕作措施因子。

(2)多因子綜合法。根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)，通過獲取的研究區植被蓋度、土地覆被類型、坡度數據，利用Arc/Info空間分析功能，綜合分析得到土壤侵蝕強度分布圖，再結合野外調查的水土保持措施信息進行修正，分級標準見表1。

表1 土壤侵蝕分類分級指標

2.2.3 精度評價方法

(1)相關性分析。相關性分析是對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變量因素的密切程度[9]。相關系數(r)計算公式為

(2)

(2)差異指數。差異指數表達不同土壤侵蝕模型在計算各級土壤侵蝕強度中的差異程度[10]。其計算公式為

Dij,n=[(Ai,n-Aij,n)/Ai,n+(Aj,n-Aij,n)/Aj,n]/2

(3)

式中：Dij,n為差異指數，介于0～1之間，值越大代表差異越大，值越小代表差異越小；Ai,n為采用第i種土壤侵蝕模型計算的第n級土壤侵蝕強度的面積；Aj,n是采用第j種土壤侵蝕模型計算的第n級土壤侵蝕強度的面積；Aij,n是采用第i種和第j種土壤侵蝕模型都被計算為第n級土壤侵蝕強度的面積。

(3)相對誤差。相對誤差是測量所造成的絕對誤差與被測量真值之比再乘以100%所得數值，以百分數表示。一般來說，相對誤差反映測量的可信程度[11]。其計算公式為

δ=Δ/L×100%

(4)

式中：δ為相對誤差，%；Δ為絕對誤差；L為真值。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

依據試驗方案對CSLE模型結果進行土壤侵蝕模數間斷值劃分，得到各強度等級之間的間斷值及其微調值范圍為30、(80、100)、(380、400)、(650、700)、1 200，單位為t/(km2·a)。對微調值進行排列組合，得到各試驗組分級指標數據，見表2。

表2 各試驗組分級指標數據 t/(km2·a)

3.2 精度分析

3.2.1 相關性分析

對CSLE模型法與多因子綜合法得到的柵格圖層進行相關性分析，二者相關系數為0.87，說明兩種方法得到的土壤侵蝕結果呈正相關，且相關性較強，因此以多因子綜合法的土壤侵蝕結果作為參考，對CSLE模型法分級指標進行研究具有一定可靠性。

3.2.2 差異指數分析

將CSLE模型法的研究結果經不同試驗組分級指標重新分級后，與多因子綜合法結果作差異指數分析，從各強度等級面積的差異指數(圖1)和各試驗組差異指數和(圖2)兩個方面，通過整體與局部綜合分析，對不同試驗組土壤侵蝕分級指標作精度評價。結果顯示：在各強度等級差異指數上，微度侵蝕和劇烈侵蝕標準分別為30和1 200 t/(km2·a)，各試驗組二者的差異指數不變，分別為0.15和0.60，可見CSLE模型與多因子綜合法計算的微度侵蝕差別較小，而劇烈侵蝕差別較大；輕度侵蝕方面，試驗組2、4、7、8的差異指數相對較低，差異指數為0.69，故該強度等級的微調值取100 t/(km2·a)；中度侵蝕方面，各試驗組差異指數均在0.45附近，相差不大，說明380、400 t/(km2·a)的微調值對中度侵蝕強度等級分級均可行；強烈侵蝕方面，試驗組1、2、5、7的差異指數為0.66左右，相對其他組較小；極強烈侵蝕方面，試驗組1、2、3、4的差異指數為0.76，另外4組為0.79，二者出入不大，取較小者的微調值650 t/(km2·a)。對各試驗組差異指數和進行統計，從圖2可以看出，試驗組2、4的差異指數和最小，分別為3.35和3.36。再結合局部各強度等級的差異指數分析結果(圖1)，得到各強度等級之間劃分值為30、100、(380、400)、650、1 200，單位為t/(km2·a)，與試驗組2、4相符。

3.2.3 相對誤差分析

CSLE模型研究結果經各試驗組分級指標重新分級后與多因子綜合法結果作相對誤差分析，從各試驗組結果整體的相對誤差(圖3)和各強度等級的相對

圖1 各試驗組不同強度等級差異指數

圖2 各試驗組差異指數和

圖3 各試驗組相對誤差

誤差(表3)兩個方面，對不同試驗組土壤侵蝕分級指標作精度評價。結果顯示：微度侵蝕和劇烈侵蝕相對誤差分別為6.21%和0，這與制訂各試驗組分級指標的試驗方案有關；輕度侵蝕的相對誤差普遍較高，分別為-34.00%和-41.41%，是6個級別中變化最大的，這與兩種方法計算土壤侵蝕量的方式有關，取相對誤差較小的試驗組2、4、7、8；中度侵蝕的各試驗組相對誤差普遍較小，其中試驗組2、4、7、8相對其他組更小，僅為2.37%和3.26%；強烈侵蝕等級各試驗組相對誤差起伏較大，最小值為試驗組5、7的-2.8%，最大值為試驗組3、4的-11.6%，其他組相對誤差值居中；極強烈侵蝕等級方面，后4組的相對誤差最小，為-5.71%，而前4組較大，為17.14%。從土壤侵蝕強度等級方面綜合考慮，試驗組2、4、7、8各等級相對其他組效果較好。各試驗組相對誤差如圖3所示，試驗組2、5、7、8的相對誤差與其他4組相比較小，分別為10.95%、10.42%、8.52%、9.60%；試驗組1、3、4、6的相對誤差分別為12.86%、13.94%、12.04%、11.50%，較前面4組稍大但不明顯，主要原因在于各強度等級之間的間斷值微調，使得各試驗組間差異并不大。綜上所述，通過各強度等級面積的相對誤差與各試驗組相對誤差兩方面分析可得，試驗組2、7、8的土壤侵蝕分級指標精度較好，相對誤差分別為10.95%、8.52%、9.60%。

表3 各試驗組不同強度等級相對誤差

3.3 土壤侵蝕分級指標

從試驗結果的差異指數與相對誤差分析可看出，試驗組2的土壤侵蝕分級指標精度能滿足要求，這是兩個不同角度精度分析的共同結果。試驗組2的分級指標各強度等級之間的間斷值為30、100、380、650、1 200，單位為t/(km2·a)。因此，綜合考慮篩選出試驗組2的結果作為研究區土壤侵蝕分級指標(表4)。

表4 研究區土壤侵蝕分級指標 t/(km2·a)

4 結 語

(1)根據差異指數分析各試驗組結果的精度情況，試驗組2、4的差異指數和最小，分別為3.35和3.36，相對于其他各組精度較高，且各強度等級差異指數的總體情況也是各試驗組中較好的。因此，從差異指數分析的角度篩選出試驗組2、4的土壤侵蝕分級指標滿足要求。

(2)根據相對誤差分析各試驗組結果的精度情況，試驗組2、5、7、8的整體相對誤差絕對值較小，其相對誤差分別為10.95%、10.42%、8.52%、9.60%，與其他4組結果相比精度較好；根據各強度等級的相對誤差分析結果，試驗組2、4、7、8各強度等級的整體相對誤差較好。因此，從相對誤差分析的角度篩選出的結果為試驗組2、7、8。

(3)根據差異指數分析和相對誤差分析結果，篩選出試驗組2的精度較高，綜合考慮后，最終選取試驗組2的結果作為該區域土壤侵蝕分級指標。即微度侵蝕<30 t/(km2·a)、輕度侵蝕30～100 t/(km2·a)、中度侵蝕100～380 t/(km2·a)、強烈侵蝕380～650 t/(km2·a)、極強烈侵蝕650～1 200 t/(km2·a)、劇烈侵蝕>1 200 t/(km2·a)。